導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)以導(dǎo)波桿( 纜) 結(jié)構(gòu)作為傳輸介質(zhì),具有信號(hào)損耗小、回波質(zhì)量高及能耗損失低等諸多優(yōu)點(diǎn),測(cè)量效果不受真空、密度變化、壓力變化、劇烈的空氣流動(dòng)及劇烈的溫度變化等影響,同時(shí)對(duì)粉塵環(huán)境和揮發(fā)性液體的氣相成分、物料表面的波動(dòng)、泡沫和障礙物相對(duì)不敏感[1],還可測(cè)量界位?；谏鲜鲋T多優(yōu)勢(shì),導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在環(huán)保、化工、石油、食品、醫(yī)藥、造紙、水處理、電力、水泥、煤粉及塑料等領(lǐng)域或行業(yè)應(yīng)用廣泛。

  苯乙烯的生產(chǎn)過(guò)程具有高真空及易聚合等特點(diǎn),為此,陜西延長(zhǎng)石油( 集團(tuán)) 有限責(zé)任公司延安煉油廠苯乙烯裝置在儲(chǔ)罐及塔器等液位測(cè)量的設(shè)計(jì)中,大量采用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)液位的較準(zhǔn)確測(cè)量。但是,導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在苯乙烯裝置使用中存在一些問(wèn)題,筆者在仔細(xì)分析原因之后,有針對(duì)性地提出了解決辦法。

  雷達(dá)液位計(jì)采用時(shí)域反射原理( Time Domain Reflectometry,TDR) ,電磁脈沖以光速沿鋼纜或?qū)РU( 纜) 傳播,當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí),部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置,發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比,進(jìn)一步計(jì)算發(fā)射脈沖和回波脈沖的時(shí)差就能得到發(fā)射電路到該介質(zhì)接觸點(diǎn)的距離[2,3]。行程時(shí)間原理( TOF) : 發(fā)射出一個(gè)機(jī)械波或電磁波,該波以波速C進(jìn)行傳播,波在介質(zhì)表面被反射,接收反射波,測(cè)量運(yùn)行時(shí)間T, 計(jì)算接收中心與反射表面的距離D = T × C /2。

  導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用TDR原理與等效時(shí)間采樣( Equivalent Time Sampling,ETS) 技術(shù),測(cè)量發(fā)射與反射脈沖之間的時(shí)間差,通過(guò)等效時(shí)間采樣技術(shù)將納秒級(jí)的傳導(dǎo)時(shí)間放大為毫秒級(jí),采用優(yōu)化的識(shí)別算法進(jìn)行處理,對(duì)虛假回波進(jìn)行有效抑制和屏蔽,從而達(dá)到測(cè)量的目的。

  常見(jiàn)的回波法液位儀表有: 超聲波物位計(jì)、非接觸雷達(dá)及導(dǎo)波雷達(dá)等。

  超聲波是機(jī)械波,機(jī)械波在傳播過(guò)程中會(huì)受到傳播介質(zhì)穩(wěn)定程度的影響。引起空氣波動(dòng)的因素很多,如粉塵、氣浪、蒸汽及料流等,同時(shí)會(huì)降低回波質(zhì)量,致使液位計(jì)很難識(shí)別出有效回波,直接影響測(cè)量效果。超聲波在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)要考慮被測(cè)介質(zhì)的空間狀態(tài)和表面狀態(tài),當(dāng)粉塵及氣浪等現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí),建議用低頻超聲波物位計(jì)。

  Radar一詞來(lái)源于無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距( Radio Detection and Ranging) ,因非接觸式雷達(dá)物位計(jì)發(fā)射和接收的是電磁波,相比超聲波液位計(jì)有諸多優(yōu)點(diǎn),即精度高且使用范圍廣等,而且發(fā)射與接收均不與測(cè)量介質(zhì)接觸; 高頻電磁波易于長(zhǎng)距離傳輸,可測(cè)量大量程; 測(cè)量不受液面上部空間氣相條件變化的影響。雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射和接收高頻 ( GHz) 電磁波,通過(guò)計(jì)算發(fā)射波和回波時(shí)間進(jìn)行液位測(cè)量,與超聲波液位計(jì)相比優(yōu)點(diǎn)突出: 超聲波液位計(jì)聲納所發(fā)出的聲波是一種通過(guò)大氣傳播的機(jī)械波,大氣成分會(huì)引起聲速的變化,如液體蒸發(fā)汽化會(huì)改變聲波的傳播速度,從而引起超聲波液位測(cè)量的誤差,電磁波可在氣體介質(zhì)中傳播,并且氣體的波動(dòng)變化不影響電磁波的傳播速度,故雷達(dá)液位計(jì)就有了更加廣泛的應(yīng)用空間。

  導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)則彌補(bǔ)了雷達(dá)測(cè)量液位中的缺陷,雷達(dá)液位計(jì) + 導(dǎo)波桿( 纜) = 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì),導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)多了一個(gè)能定向集中傳輸電磁波的導(dǎo)波體,為信號(hào)至液面往返傳輸提供了一條高效通道,導(dǎo)波雷達(dá)輸出到探頭的信號(hào)能量非常小,約為常規(guī)雷達(dá)發(fā)射能量( 1. 0MW) 的10% ( 約0. 1MW)[4],信號(hào)衰減保持在***小程度,因而不能用于測(cè)量介電常數(shù)很低( 小于1. 4) 的液體。 此外由于導(dǎo)波雷達(dá)耗能小,采用回路供電而不是單獨(dú)的交流供電,從而節(jié)省了安裝費(fèi)用。普通雷達(dá)為非接觸式測(cè)量,導(dǎo)波雷達(dá)為接觸式測(cè)量,這樣就意味著導(dǎo)波雷達(dá)更需要考慮介質(zhì)的腐蝕性和粘附性,而且過(guò)長(zhǎng)的導(dǎo)波雷達(dá)纜繩安裝和維護(hù)相對(duì)困難。測(cè)量固體物料時(shí),導(dǎo)波雷達(dá)還要考慮導(dǎo)波桿( 纜) 的受力情況,也是由于受力的原因一般用導(dǎo)波雷達(dá)的測(cè)量距離不會(huì)很長(zhǎng)。在一些特殊工況導(dǎo)波雷達(dá)有明顯優(yōu)勢(shì),如罐內(nèi)有攪拌且介質(zhì)波動(dòng)大的工況,用底部固定的導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量要比變通雷達(dá)穩(wěn)定; 還有小罐體內(nèi)的物位測(cè)量,由于安裝測(cè)量空間小( 或罐內(nèi)干擾物較多)[5],一般普通雷達(dá)不適用,這時(shí)導(dǎo)波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)了; 還有低介電常數(shù)的工況,無(wú)論雷達(dá)還是導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量原理都是基于介質(zhì)介電常數(shù)的差別,由于普通雷達(dá)發(fā)射的波是發(fā)散的,當(dāng)介質(zhì)介電常數(shù)過(guò)低時(shí),信號(hào)太弱測(cè)量不穩(wěn)定,而導(dǎo)波雷達(dá)波是沿導(dǎo)波桿 ( 纜) 傳播信號(hào)的,因而相對(duì)穩(wěn)定; 另外一般的導(dǎo)波雷達(dá)還有底部探測(cè)功能,導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)可以根據(jù)底部回波信號(hào)修正測(cè)量結(jié)果,使信號(hào)更為穩(wěn)定準(zhǔn)確。

在導(dǎo)波雷達(dá)的應(yīng)用中,***好能通過(guò)專(zhuān)門(mén)的組態(tài)軟件完成組態(tài)和分析,比如E + H的Field Care或Rosemount的Radar Master,通過(guò)分析回波曲線,能夠直觀檢查雷達(dá)液位計(jì)的工作狀況。

陜西延長(zhǎng)石油( 集團(tuán)) 有限責(zé)任公司延安煉油廠苯乙烯裝置污油罐上安裝導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)后,一直存在液位波動(dòng)大的問(wèn)題。起初排查問(wèn)題的焦點(diǎn)一直在參數(shù)的設(shè)置上,可是多次調(diào)整相關(guān)參數(shù)而問(wèn)題仍未得到徹底解決。通過(guò)觀察該雷達(dá)的回波曲線,發(fā)現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)導(dǎo)波桿( 纜) 末端有強(qiáng)烈的正向回波信號(hào),如圖1所示,并且在安裝法蘭側(cè)存在異常的參考回波,經(jīng)分析這就是導(dǎo)致導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)不能正常工作的原因。

問(wèn)題找到后,對(duì)該儀表的安裝短管進(jìn)行了擴(kuò)徑,由原來(lái)的DN40mm改為DN80mm,異常參考回波信號(hào)消失。對(duì)于底部異常正向回波,是因?yàn)閷?dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)末端與容器內(nèi)伴熱盤(pán)管相接觸, 產(chǎn)生了信號(hào)接地,致使雷達(dá)波與容器存在信號(hào)短路,從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的正向回波,在與工藝確認(rèn)后, 將導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的導(dǎo)波桿( 纜) 截短,調(diào)試投運(yùn)后的回波曲線如圖2所示,回波曲線達(dá)到理想狀況,罐體液位指示準(zhǔn)確。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)接收到的信號(hào)有些是容器內(nèi)障礙物或多次回波產(chǎn)生的雜波,這些雜波信號(hào)也會(huì)隨著液位的變化而變化,從而產(chǎn)生虛假液位,如圖3所示。

這些干擾或雜波信號(hào)可以通過(guò)干擾波信號(hào)閾值進(jìn)行剔除,適當(dāng)調(diào)整回波閾值,將回波閾值抬升至實(shí)際液位回波信號(hào)強(qiáng)度的一半左右,以消除和屏蔽雜波干擾,保證真實(shí)液位信號(hào)能夠被識(shí)別出來(lái),如圖4所示。

  電磁波在穿越空氣和液體時(shí),其傳播速度會(huì)發(fā)生變化,這就使得在回波曲線圖中看到的導(dǎo)波桿( 纜) 的末端長(zhǎng)度會(huì)比實(shí)際長(zhǎng)度要長(zhǎng),即存在末端偏移量( End of Probe-shift,EOP-shift) ,如圖5所示。利用這一現(xiàn)象,即使回波信號(hào)很微弱,物位L也可通過(guò)末端回波信號(hào) ( EOP-signal) 的計(jì)算得到,使導(dǎo)波雷達(dá)的應(yīng)用更加廣泛[6]。在EOP-shift和物位之間存在如下關(guān)系:

  其中末端回波斜率EOP-slope( End of Probeslop) 是一個(gè)與介質(zhì)介電常數(shù) ε 有關(guān)的量 ( ε = ( EOP-slope + 1)2) 。若物位信號(hào)和EOP-signal可以被檢測(cè)到,那么EOP-slope就可以不間斷地重復(fù)計(jì)算,當(dāng)回波消失時(shí)物位就可以通過(guò)式( 1) 計(jì)算得到。

  導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)常被應(yīng)用于低介電常數(shù)場(chǎng)合 ( 如液化氣) ,低介電常數(shù)介質(zhì)產(chǎn)生的回波信號(hào)也比較弱,在存在雜波和干擾波的信號(hào)中檢出正確的液位回波就要困難些,應(yīng)用基礎(chǔ)的回波定位法測(cè)量液位[7]有時(shí)就難以實(shí)現(xiàn),通過(guò)改變回波閾值也起不到作用,此時(shí)就可以考慮應(yīng)用底部回波算法來(lái)解決。如圖6所示,箭頭所指為真實(shí)液位的回波,導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)很難從回波中找到真實(shí)液位,液位曲線呈跳變狀態(tài),測(cè)量無(wú)法進(jìn)行,在應(yīng)用底部回波算法后,該問(wèn)題迎刃而解,底部回波算法使導(dǎo)波雷達(dá)具有了一種冗余測(cè)量物位的方法,達(dá)到了高度的可靠性和安全性。

  盡管導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)具有較強(qiáng)的信號(hào)處理和分辨功能,能從大量的雜散波中分辨出真實(shí)的液位信號(hào),但當(dāng)用于復(fù)雜安裝環(huán)境時(shí)( 如設(shè)備內(nèi)存在構(gòu)件、泡沫和粉塵) ,對(duì)其實(shí)際工作性能會(huì)有影響,因此在安裝時(shí)需特別注意。對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)波形識(shí)別算法的改進(jìn)和優(yōu)化,使得導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。